WO2023145609A1

WO2023145609A1 - 建設機械の駆動制御装置及びこれを備えた建設機械

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Publication number: WO2023145609A1
Application number: PCT/JP2023/001565
Authority: WO
Inventors: 雅俊洪水
Original assignee: コベルコ建機株式会社
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2023-01-19
Publication date: 2023-08-03
Also published as: JP2023110359A

Abstract

建設機械（１０）の駆動制御装置は、作業装置（１３）の動作を制御するコントローラ（５０）を備え、コントローラ（５０）は、作業装置（１３）が行う整地作業における整地角度の目標である目標整地角度（θ）を設定し、回動部材（２０）の重心の速度である回動部材重心速度を演算し、回動部材重心速度と目標整地角度（θ）とを用いて作業装置（１３）全体の合成重心（ｇ）の速度の目標である目標速度を演算し、合成重心（ｇ）の実際の速度を目標速度に近づけるようにブーム（１４）の動作を制御する。

Description

建設機械の駆動制御装置及びこれを備えた建設機械

　本開示は、建設機械の駆動制御装置及びこれを備えた建設機械に関するものである。

　従来、建設機械として、機体と、前記機体に起伏可能に支持された作業装置とを備える油圧ショベルが知られている。油圧ショベルの作業装置は、機体に起伏可能に支持されたブームと、ブームに回動可能に支持された回動部材と、を含む。回動部材は、アームと、アームに回動可能に支持されたバケットなどの先端部材と、を含む。ブーム、アーム及び先端部材のそれぞれは、伸縮可能な油圧シリンダによって動かされる。このような油圧ショベルは、掘削作業などの種々の作業を行うことが可能である。

　特許文献１は、掘削等の作業において作業効率の向上が可能となる建設機械を開示している。この建設機械の制御装置は、作業装置を構成する複数の部材の合成重心の運動状態量を測定もしくは算出し、当該運動状態量が所定の第１目標値に追従するように、前記作業装置の操作機構に対する指示値をフィードバック制御を用いて決定し、当該指示値に基づき、前記作業装置に対する操作者の操作量を調整する。

　特許文献２は、掘削作業を繰り返し行う際のオペレータの負荷を軽減するための建設機械を開示している。具体的には、特許文献２には、オペレータがアームを押出方向に操作するだけでバケットを直線的に押し出すことができるため、掘削作業時のオペレータの負荷を軽減することが可能となることが記載されている。

　ところで、油圧ショベルなどの建設機械では、作業装置の先端部材（例えばバケット）を用いて地面に対して整地作業が行われる場合がある。当該整地作業は、均し作業、底すらし作業、法面成形作業などを含む。整地作業では、整地角度の目標である目標整地角度は施工現場に応じて様々な角度に設定され、オペレータは、施工面が目標整地角度に整地されるようにブームと回動部材とを含む作業装置を動作させる必要がある。このような整地作業は非熟練者にとって容易ではないが、特許文献１には、整地作業において設定される様々な目標整地角度に応じて具体的にどのように作業装置の動作を制御するのかについては言及されていない。また、特許文献２は、掘削作業時のオペレータの負荷を軽減するための技術であり、整地作業については何ら考慮されていない。

特開２０２０－３３８１５号公報特開２０２１－５９８５５号公報

　本開示の目的は、整地作業において施工面が目標整地角度に整地されるように作業装置を動作させることが可能な駆動制御装置及びこれを備えた建設機械を提供することにある。

　本開示により提供されるのは、機体と、前記機体に起伏可能に支持されたブーム及び前記ブームに回動可能に支持された回動部材を含む作業装置と、を備える建設機械の駆動制御装置であって、前記作業装置の動作を制御するコントローラを備え、前記コントローラは、前記作業装置が行う整地作業における整地角度の目標である目標整地角度を設定し、前記回動部材の重心の速度である回動部材重心速度を演算し、前記回動部材重心速度と前記目標整地角度とを用いて前記作業装置全体の合成重心の速度の目標である目標速度を演算し、前記合成重心の実際の速度を前記目標速度に近づけるように前記ブームの動作を制御する。

本開示の実施形態に係る駆動制御装置を備える建設機械を示す側面図である。前記実施形態に係る駆動制御装置の油圧回路図である。前記実施形態に係る駆動制御装置のブロック図である。前記実施形態に係る建設機械が行う整地作業の一例を示す側面図である。実施形態に係る駆動制御装置のブロック線図である。前記実施形態に係る駆動制御装置のコントローラが行う演算処理を示すフローチャートである。前記実施形態に係る駆動制御装置の入力器の一例を示す平面図である。前記実施形態に係る駆動制御装置の入力器の他の例を示す斜視図である。前記実施形態に係る駆動制御装置において予め設定されたマップの一例を示すグラフである。前記実施形態の変形例１に係る駆動制御装置のブロック線図である。前記実施形態の変形例１に係る駆動制御装置において予め設定されたマップの一例を示すグラフである。前記実施形態の変形例２に係る駆動制御装置のブロック線図である。前記実施形態の変形例２に係る駆動制御装置において予め設定されたマップの一例を示すグラフである。前記実施形態の変形例２において、作業装置の先端部材の軌跡の一例を示す側面図である。前記実施形態の変形例３に係る駆動制御装置のブロック線図である。

　以下、本開示の好ましい実施形態を、図面を参照しながら説明する。

　図１は、本開示の一実施形態に係る駆動制御装置（図２）が搭載される油圧ショベル１０を示す側面図である。この油圧ショベル１０は、建設機械の一例である。油圧ショベル１０は、地面Ｇ上を走行可能なクローラ式の下部走行体１１と、地面に対して垂直な方向に沿う旋回中心軸まわりに旋回可能となるように下部走行体１１の上に搭載される上部旋回体１２と、この上部旋回体１２に起伏可能に搭載される作業装置１３（作業アタッチメント１３）と、を備える。当該作業装置１３は、上部旋回体１２に起伏可能に支持されるブーム１４と、当該ブーム１４に回動可能に支持される回動部材２０と、を含む。回動部材２０は、ブーム１４の先端に回動可能に連結されるアーム１５と、当該アーム１５の先端に回動可能に連結されるバケット１６と、を含む。バケット１６は、先端部材の一例である。バケット１６は、バケット底部１６Ｈを有する。また、上部旋回体１２は、旋回フレームと、当該旋回フレームに支持されるキャブと、を有する。下部走行体１１及び上部旋回体１２は、機体の一例である。

　油圧ショベル１０は、上部旋回体１２に対してブーム１４を起伏動作させるように作動するブームシリンダ１７と、当該ブーム１４に対して前記アーム１５を回動動作させるように作動するアームシリンダ１８と、当該アーム１５に対して前記バケット１６を回動動作させるように作動するバケットシリンダ１９と、を備える。各シリンダは、油圧ポンプから作動油を受け入れて伸縮するように作動する。

　図２は、本実施形態に係る駆動制御装置の油圧回路図である。図２において、図１に示す油圧ショベル１０と同じ構成要素には同じ符号を付している。また、図１及び図２において、ｇ１はブーム１４の重心を示し、ｇ２はアーム１５の重心を示し、ｇ３はバケット１６の重心を示し、ｇは作業装置１３の合成重心を示す。

　油圧ショベル１０は、更に、エンジン１００と、油圧式の第１ポンプ２Ａ及び第２ポンプ２Ｂと、パイロット圧油用油圧ポンプ３と、操作器４と、電磁比例弁５と、コントロールバルブ７と、コントローラ５０とを備える。

　エンジン１００は、所定の噴射量の燃料を受け入れて回転する。第１ポンプ２Ａ及び第２ポンプ２Ｂは、エンジン１００の出力軸に接続され、エンジン１００の駆動力を受けて回転する。各ポンプは、油圧式のポンプであり、ブームシリンダ１７、アームシリンダ１８及びバケットシリンダ１９を作動させるための作動油を吐出する。

　ブームシリンダ１７は、第１ポンプ２Ａにより吐出される作動油の供給を受けることによりブーム１４を起伏させる（動かす）ように伸縮する。本実施形態では、ブームシリンダ１７は、シリンダ本体と、シリンダ本体をヘッド室とロッド室とに仕切るピストン部を含みシリンダ本体に対して相対移動可能なシリンダロッドとを有する。シリンダロッドの先端部は不図示のリンク機構を介してブーム１４に接続されている。ブームシリンダ１７は、第１ポンプ２Ａにより吐出される作動油をコントロールバルブ７を介してヘッド室に受け入れロッド室から作動油を排出することでブーム１４を起立させるように伸長する（ブーム上げ動作）ことが可能である一方、第１ポンプ２Ａにより吐出される作動油をコントロールバルブ７を介してロッド室に受け入れヘッド室から作動油を排出することで、ブーム１４を倒伏させるように収縮する（ブーム下げ動作）ことが可能である。なお、アームシリンダ１８、バケットシリンダ１９も、ブームシリンダ１７と同様の構造を有する。

　操作器４は、オペレータによって操作され、作業装置１３のブーム１４、アーム１５及びバケット１６を動かすための操作を受ける。すなわち、操作器４は、ブーム操作器、アーム操作器、及びバケット操作器を含む。ブーム操作器は、ブーム１４にブーム上げ動作を行わせるためのブーム上げ操作及びブーム１４にブーム下げ動作を行わせるためのブーム下げ操作を受ける。アーム操作器は、アーム１５にアーム引き動作を行わせるためのアーム引き操作及びアーム１５にアーム押し動作を行わせるためのアーム押し操作を受ける。バケット操作器は、バケット１６にバケット引き動作を行わせるためのバケット引き操作及びバケット１６にバケット押し動作を行わせるためのバケット押し操作を受ける。なお、操作器４は、上部旋回体１２の旋回動作、下部走行体１１の走行動作に関する操作なども受け付ける。なお、操作器４のすべて又は一部は、油圧ショベル１０内に設けられるものに限定されず、油圧ショベル１０がリモート制御される場合には、油圧ショベル１０とは異なる位置に配置されても良い。

　コントロールバルブ７は、油圧ポンプとブームシリンダ１７との間に介在するように配置され、油圧ポンプから当該ブームシリンダ１７に供給される作動油の流量及び流路を変化させるように（制御するように）移動するスプールを有する。具体的に、コントロールバルブ７は、主に、ブーム１４がブーム上げ動作及びブーム下げ動作を行う際に、ブームシリンダ１７に油圧ポンプの作動油を供給するとともにブームシリンダ１７から排出された作動油を不図示のタンクに排出するように作動する。コントロールバルブ７は、一対のパイロットポートを有するパイロット操作式の３位置方向切換弁からなる。

　コントロールバルブ７は、一対のパイロットポートの何れにもパイロット圧が入力されないときは中立位置に保たれ、前記油圧ポンプとブームシリンダ１７との間を遮断する。

　コントロールバルブ７は、一のパイロットポートにブーム下げパイロット圧が入力されると、そのブーム下げパイロット圧の大きさに対応したストロークで前記中立位置からブーム下げ位置に切り換えられる。これにより、コントロールバルブ７は、前記油圧ポンプからブームシリンダ１７のロッド室に前記ストロークに応じた流量で作動油が供給されることを許容するとともに、当該ブームシリンダ１７のヘッド室から作動油が排出されることを許容するように、開弁する。これにより、ブームシリンダ１７はブーム下げパイロット圧に対応した速度でブーム下げ方向に駆動される。

　コントロールバルブ７は、他のパイロットポートにブーム上げパイロット圧が入力されると、そのブーム上げパイロット圧の大きさに対応したストロークで前記中立位置からブーム上げ位置に切り換えられる。これにより、コントロールバルブ７は、前記油圧ポンプからブームシリンダ１７のヘッド室に前記ストロークに応じた流量で作動油が供給されることを許容するとともに、当該ブームシリンダ１７のロッド室から作動油が排出されることを許容するように、開弁する。これにより、ブームシリンダ１７は前記ブーム上げパイロット圧に対応した速度でブーム上げ方向に駆動される。

　なお、上記と同様の動作を行うコントロールバルブ７が、油圧ポンプと、アームシリンダ１８及びバケットシリンダ１９との間にそれぞれ配置されている。アームシリンダ１８に対応するコントロールバルブ７は、アーム押し位置、中立位置、アーム引き位置に切り換え可能とされている。

　電磁比例弁５は、操作器４に入力される操作に対応するパイロット圧（二次圧）がパイロット圧油用油圧ポンプ３から供給されるパイロット油によってコントロールバルブ７の各パイロットポートに作用するように開弁する。電磁比例弁５の開度は、コントローラ５０から入力される比例信号によって調整される。

　図２に示すように、操作器４が受ける操作の大きさである操作量に応じて第１ポンプ２Ａ及び第２ポンプ２Ｂの少なくとも一方から作動油の供給を受けることで、ブームシリンダ１７、アームシリンダ１８及びバケットシリンダ１９が伸縮する。ブームシリンダ１７、アームシリンダ１８及びバケットシリンダ１９には、供給油の方向を切り替えるコントロールバルブ７を通じて第１ポンプ２Ａ及び第２ポンプ２Ｂの少なくとも一方から作動油が供給される。操作器４は、操作量に応じた操作信号をコントローラ５０に入力することが可能な電気レバーにより構成されていてもよく、操作器４のリモコン弁の２次圧に関する信号がコントローラ５０に入力されるように構成されていてもよい。コントローラ５０は、操作器４（ブーム操作器、アーム操作器、及びバケット操作器）に与えられる操作の操作量をブーム操作値、アーム操作値、及びバケット操作値としてそれぞれ取得し、取得した各操作値に応じて当該操作に対応する電磁比例弁５に指令信号を入力する。作業装置１３のブーム１４、アーム１５及びバケット１６のそれぞれは、電磁比例弁５に入力される指令信号（比例信号）に応じた速度で動作する。

　図３は、本実施形態に係る駆動制御装置のブロック図である。本実施形態において、コントローラ５０は、例えば、上部旋回体１２上の運転室内に搭載してもよい。また、コントローラ５０は、コンピュータを備えており、当該コンピュータがプログラムを実行することによって、各機能が実施される。コンピュータは、プログラムに従って動作するプロセッサを主なハードウェア構成として備える。プロセッサは、プログラムを実行することによって機能を実現することができれば、その種類は問わない。具体的には、例えば、コントローラ５０は、ＣＰＵなどの演算処理装置と、制御プログラムを記憶するＲＯＭ及び演算処理装置の作業領域として使用されるＲＡＭ等のメモリと、を備える。

　コントローラ５０は、目標整地角度設定器５０１と、寄与度生成器５０２（速度比率生成器）と、目標速度生成器５０３と、ＰＩＤコントローラ５０４と、調整器５０５と、を備え、これらは、前記演算処理装置がメモリに記憶された制御プログラムを実行することにより機能するように構成されている。コントローラ５０の演算処理については後述する。

　なお、コントローラ５０のすべて又は一部は、油圧ショベル１０内に設けられるものに限定されず、油圧ショベル１０がリモート制御される場合には、油圧ショベル１０とは異なる位置に配置されても良い。また、前記制御プログラムは遠隔地のサーバ（管理装置）やクラウドなどから油圧ショベル１０内のコントローラ５０に送信され実行されるものでもよいし、前記サーバやクラウド上で前記制御プログラムが実行され、生成された各種の指令信号が油圧ショベル１０に送信されるものでもよい。

　油圧ショベル１０は、更に、入力器９１と、姿勢検出器３１と、ＩＭＵ（慣性計測装置：ｉｎｅｒｔｉａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｕｎｉｔ）３３と、表示器３４とを備える。入力器９１は、キャブ内に設けられており、コントローラ５０が実行する制御に必要な情報の入力を受け付ける。なお、入力器９１のすべて又は一部は、油圧ショベル１０内に設けられるものに限定されず、油圧ショベル１０がリモート制御される場合には、油圧ショベル１０とは異なる位置に配置されても良い。後述する入力器９１Ａ，９２のそれぞれについても同様である。

　姿勢検出器３１は、作業装置１３の姿勢に関する情報を検出する。具体的には、姿勢検出器３１は、上部旋回体１２に対する作業装置１３の相対的な姿勢情報を取得する。一例として、姿勢検出器３１は、ブームシリンダ１７、アームシリンダ１８及びバケットシリンダ１９にそれぞれ装着される３つのセンサを含み、各シリンダのストローク（伸長量又は長さ）を検出する。各センサによって検出された各シリンダのストロークは、ブーム１４、アーム１５及びバケット１６の位置や姿勢を演算するために使用され、更に、作業装置１３の合成重心の位置、速度を算出するために用いられる。なお、ブーム１４、アーム１５及びバケット１６の位置や姿勢を演算するために、シリンダストロークセンサに代えて、ブーム１４、アーム１５及びバケット１６の回動角度をそれぞれ検出するアングルセンサが用いられても良い。

　ＩＭＵ３３は、地面Ｇに対する上部旋回体１２の姿勢に関する情報を検出する。すなわち、ＩＭＵ３３は、油圧ショベル１０の機体の姿勢、角度（傾き）を検出する。一例として、ＩＭＵ３３は、キャブの上面部に装着されている。本開示の駆動制御装置では、ＩＭＵ３３は省略されてもよい。

　表示器３４は、キャブ内に設けられたディスプレイであり、油圧ショベル１０の作動、駆動制御装置の制御に関する各種の情報を表示して、オペレータに報知する。なお、表示器３４のすべて又は一部は、油圧ショベル１０内に設けられるものに限定されず、油圧ショベル１０がリモート制御される場合には、油圧ショベル１０とは異なる位置に配置されても良い。

　本実施形態では、コントローラ５０は、作業装置１３が行う整地作業における整地角度の目標である目標整地角度を設定し、回動部材２０の重心の速度である回動部材重心速度を演算し、前記回動部材重心速度と前記目標整地角度とを用いて前記作業装置１３全体の合成重心の速度の目標である目標速度を演算し、前記合成重心の実際の速度を前記目標速度に近づけるようにブーム１４の動作を制御する。本実施形態では、回動部材２０はアーム１５とバケット１６とにより構成されるので、回動部材２０の重心は、アーム１５とバケット１６の合成重心である。

　作業装置１３全体の動作は、ブーム１４の動作に係る成分と、回動部材２０の動作に係る成分と、に分解することができ、施工面を目標整地角度に整地するためには、目標整地角度に応じたバランス（比率）でブーム１４と回動部材２０を動作させればよい。そこで、本実施形態に係る駆動制御装置では、コントローラ５０は、まず、回動部材２０の重心の速度である回動部材重心速度を演算する。この回動部材重心速度（回動部材２０の動作に係る成分）に対応する作業装置１３全体の速度の目標は目標整地角度に応じて決まる。従って、コントローラ５０は、回動部材重心速度と目標整地角度とを用いて作業装置１３全体の合成重心の速度の目標である目標速度を演算することができる。作業装置１３全体の目標速度と、回動部材２０の動作に係る成分（回動部材重心速度）とが決まると、これらを用いてブーム１４の動作に係る成分を演算することができる。すなわち、コントローラ５０は、作業装置１３全体の合成重心の実際の速度を目標速度に近づけるようにブーム１４の動作を制御することができる。よって、この駆動制御装置では、整地作業において施工面が目標整地角度に整地されるように作業装置１３を動作させることができる。また、本実施形態に係る駆動制御装置では、重心速度に基づきブーム操作を調整することで、施工面の土砂とバケット１６との接触に伴う過負荷、作業速度の低下などを低減することができ、荒れた面であったとしても、効率的に整地を行うことができる。

　本実施形態に係る駆動制御装置の概要は上記の通りであるが、以下では、具体例を挙げて駆動制御装置による制御について説明する。なお、本開示の駆動制御装置による制御は、以下の具体例に限定されるものではない。

　図４は、本実施形態に係る油圧ショベル１０が行う整地作業の一例を示す側面図である。図５は、本実施形態に係る駆動制御装置のブロック線図である。図６は、駆動制御装置のコントローラ５０が実行する演算処理を示すフローチャートである。

　コントローラ５０の目標整地角度設定器５０１は、作業装置１３が行う整地作業における整地角度の目標である目標整地角度θを設定する（図６のステップＳ１）。目標整地角度θは、基準面に対する施工面（目標施工面）の角度である。図４に示す本実施形態では、目標整地角度θは、油圧ショベル１０の下部走行体１１が配置されている地面Ｇ（基準面）に対する施工面（目標施工面）の角度である。ただし、基準面は、下部走行体１１が配置されている地面Ｇに限られず、例えば水平面であってもよい。

　本実施形態では、上述した入力器９１は、例えば図７に示すように、目標整地角度θの設定のためのオペレータによる入力を受ける設定入力器９１Ａとしての機能を有する。設定入力器９１Ａは、オペレータが押すことが可能なスイッチＳＷを有する。コントローラ５０は、設定入力器９１ＡのスイッチＳＷに対する入力が行われたとき、すなわちスイッチＳＷがオペレータにより押されたときの前記基準面（例えば地面Ｇ）に対するバケット１６のバケット底部１６Ｈの角度（バケットの底面の角度）に基づいて、目標整地角度θを設定する。コントローラ５０は、姿勢検出器３１から入力される姿勢情報に基づいてバケット１６の角度を演算することができる。整地作業において、オペレータは、施工面又はその近傍において、目標整地角度θとして設定したい所望の角度でバケット１６を配置し、設定入力器９１Ａに入力するだけでコントローラ５０に目標整地角度θを設定させることができる。これにより、オペレータが目標整地角度θの数値を入力する作業を省略することができる。図７に示す設定入力器９１Ａは、現在のバケット１６の図又は映像をバケット１６の角度情報（基準面に対する角度情報）とともに表示するディスプレイを備える。従って、オペレータは、当該ディスプレイを見ながらバケット１６の角度を目標整地角度θに調節することができる。なお、設定入力器９１ＡのスイッチＳＷは、例えば図８に示すように操作器４の操作レバーに配置されていてもよい。また、オペレータが目標整地角度θの数値を入力する作業を行い、コントローラ５０は、入力された数値に基づいて目標整地角度θを設定してもよい。

　次に、コントローラ５０の寄与度生成器５０２（速度比率生成器）は、整地作業において作業装置１３全体の動作に対して回動部材２０の動作が占めるべき寄与度ｒを、目標整地角度θが大きいときに比べて目標整地角度θが小さいときに大きな値になるように決定する（ステップＳ２）。具体的には、コントローラ５０は、例えば図９に示すようなマップを予め記憶している。このマップは、目標整地角度θと寄与度ｒ（比率ｒ）との関係を示すグラフである。図９のマップは、目標整地角度θが大きいときに比べて目標整地角度θが小さいときに寄与度ｒが大きな値になるような関係式で表すことができる。

　より具体的には、図９のマップは、目標整地角度θが小さくなるほど寄与度ｒが大きな値になるような関係式で表すことができる。図９のマップは、以下の観点で作成することができる。

　目標整地角度θが小さい場合に施工面に沿ってバケット１６を移動させる際には、油圧ショベル１０の機体（例えば上部旋回体１２）に対して前後方向に移動する回動部材２０の速度成分が大きくなり、前記機体に対して上下方向に移動する回動部材２０の速度成分が小さくなる。すなわち、この場合、回動部材２０を上下させるブーム１４の動作量は比較的小さくなるため、作業装置１３全体の速度において回動部材２０の速度成分が大部分を占めるようにマップを設定している。

　また、目標整地角度θが大きい場合に施工面に沿ってバケット１６を移動させる際には、前記機体に対して前後方向に移動する回動部材２０の速度成分が小さくなり、前記機体に対して上下方向に移動する回動部材２０の速度成分が大きくなる。すなわち、この場合、回動部材２０を上下させるブーム１４の動作量は比較的大きくなるため、作業装置１３全体の速度において回動部材２０の速度成分の占める割合が小さくなるようにマップを設定している。

　寄与度生成器５０２は、図９のマップと、設定された目標整地角度θと、に基づいて、寄与度ｒを演算する。

　次に、コントローラ５０は、整地作業に係る操作が開始されたか否かを判定する（ステップＳ３）。具体的には、例えば図４に示すような目標整地角度θが設定された整地作業では、オペレータは、アーム引き操作とブーム上げ操作とを同時に行う。従って、コントローラ５０は、アーム引き操作とブーム上げ操作とが同時に行われたことを示す操作信号がコントローラ５０に入力されると、整地作業に係る操作が開始されたと判定する（ステップＳ３においてＹＥＳ）。なお、コントローラ５０は、整地作業に係る操作が開始されたことを、ブーム上げ操作とアーム引き操作のいずれかの操作が行われたことで判定してもよい。

　次に、コントローラ５０の目標速度生成器５０３は、姿勢検出器３１から入力される姿勢情報に基づいて、回動部材２０の合成重心の座標、及び作業装置１３全体の合成重心の座標を演算する（ステップＳ４）。

　図１に示すように、作業装置１３のブーム１４の回動基端部を原点０として、鉛直方向にＹ座標、水平方向にＸ座標をとり、ブーム１４の質量をｍ１、ブーム１４の重心ｇ_１の座標を（ｘ_１（ｔ）、ｙ_１（ｔ））、アーム１５の質量をｍ２、アーム１５の重心ｇ_２の座標を（ｘ_２（ｔ）、ｙ_２（ｔ））、バケット１６の質量をｍ３、バケット１６の重心ｇ_３の座標を（ｘ_３（ｔ）、ｙ_３（ｔ））と定義する。なお、各座標は、作業装置１３が動作することに伴って変化するため、時間ｔの変数として表記している。この場合、回動部材２０の合成重心ｇ２３の座標（Ｘ_Ｇ２３（ｔ），Ｙ_Ｇ２３（ｔ））は、例えば下記の式（１）で表され、作業装置１３の合成重心ｇの座標（Ｘ_ｇ（ｔ）、Ｙ_ｇ（ｔ））は、下記の式（２）で表される。

　次に、目標速度生成器５０３は、回動部材２０の合成重心ｇ２３の速度を下記の式（３）を用いて演算する（ステップＳ５）。

　次に、目標速度生成器５０３は、作業装置１３の合成重心ｇの速度のうち、回動部材２０の合成重心ｇ２３の速度がどの程度寄与すべきかを表す寄与速度を演算する（ステップＳ６）。目標速度生成器５０３は、例えば下記の式（４）を用いて寄与速度（Ｖ_ＸＧ（ｔ），Ｖ_ＹＧ（ｔ））を演算することができる。この寄与速度（回動部材速度）は、回動部材２０の動きを作業装置１３全体の合成重心ｇの速度に置き換えたものである。

　次に、目標速度生成器５０３は、下記の式（５）を用いて寄与速度（Ｖ_ＸＧ（ｔ），Ｖ_ＹＧ（ｔ））の大きさである寄与速度Ｖ'_Ｇ（ｔ）を演算する（ステップＳ７）。

　次に、目標速度生成器５０３は、寄与速度Ｖ'_Ｇ（ｔ）と寄与度ｒと下記の式（６）を用いて、作業装置１３全体の合成重心ｇの目標速度Ｖ_ｒ（ｔ）を演算する（ステップＳ８）。

　次に、コントローラ５０は、上記の目標速度Ｖ_ｒ（ｔ）に追従するように作業装置１３の合成重心ｇの実際の速度Ｖ（ｔ）をフィードバック制御することで、操作器４のブーム操作器に与えられる操作の操作量に応じた値であるブーム操作値が調整され、これにより、作業装置１３のバケット１６が目標整地角度θに沿って動くように作業装置１３の動作が制御される。コントローラ５０は、作業装置１３の合成重心ｇの実際の速度Ｖ（ｔ）を例えば下記の式（７）及び式（８）を用いて演算する。

　具体的には、コントローラ５０のＰＩＤコントローラ５０４は、目標速度Ｖ_ｒ（ｔ）と作業装置１３の合成重心ｇの実際の速度Ｖ（ｔ）との偏差ｅ（ｔ）をゼロに近づけるようなアシスト値であるブーム補正値ｕ（ｔ）を下記の式（９）及び式（１０）を用いて演算する（ステップＳ９）。なお、式（９）において、Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄはそれぞれ、比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインである。式（９）において、ｕ（ｔ－１）は、ステップＳ９又はステップＳ１０の前回の演算処理において算出された操作入力（制御入力値）、すなわち前回値である。

　コントローラ５０は、演算されたブーム補正値ｕ（ｔ）を制御入力値としてそのままブーム上げ操作に対応する電磁比例弁５に入力してもよい（ステップＳ１０）が、例えば以下のようにコントローラ５０の調整器５０５においてブーム操作値と、ブーム補正値ｕ（ｔ）と、を用いて、ブーム１４の動作を制御するための最終的な制御入力値を演算し、演算された制御入力値をブーム上げ操作に対応する電磁比例弁５に入力してもよい（ステップＳ１０）。上記のような何れかの制御入力値が電磁比例弁５に入力されることにより、アームの動き（回動部材の動き）とブームの動きを重心という同じ指標の上で表現することができる。

　次に、調整器５０５が行う演算処理の具体例について説明する。図５を参照して説明したように、目標速度Ｖｒ（ｔ）に追従するように作業装置１３全体の合成重心ｇの速度Ｖ（ｔ）をフィードバック制御することで、コントローラ５０によりブーム補正値ｕ（ｔ）が演算される。ここで、オペレータによりブーム操作器に与えられる操作の操作量に応じた値であるブーム操作値を「ｕｈ（ｔ）」で表し、ステップＳ９においてコントローラ５０により演算されたブーム補正値を「ｕｃ（ｔ）」で表す。コントローラ５０の調整器５０５は、前記ブーム操作値ｕｈ（ｔ）とブーム補正値ｕｃ（ｔ）とから、最終的な制御入力値ｕ（ｔ）を調整し、当該制御入力値ｕ（ｔ）をブーム上げ操作に対応する電磁比例弁５に入力する。これにより、作業装置１３が目標整地角度θに沿うようなバランスでブーム上げ動作及びアーム引き動作を行うので、オペレータは整地作業に係る操作を容易に行うことができる。

　調整器５０５は、例えば下記の式（１１）に基づいてブーム補正値ｕ（ｔ）を調整してもよい。すなわち、調整器５０５は、式（１１）に示すように、ブーム操作値ｕｈ（ｔ）とブーム補正値ｕｃ（ｔ）のうちの小さい方を選択し、選択した値を制御入力値ｕ（ｔ）として電磁比例弁５に入力してもよい。また、調整器５０５は、オペレータの操作をトリガーにして、コントローラ５０によるブーム補正値ｕｃ（ｔ）をそのまま電磁比例弁５に制御入力値ｕ（ｔ）として入力してもよい。また、調整器５０５は、ブーム操作値ｕｈ（ｔ）とブーム補正値ｕｃ（ｔ）とを一定比率で足し合わせた値を演算し、当該値を制御入力値ｕ（ｔ）として電磁比例弁５に入力してもよい。

　以上、本開示の実施形態に係る駆動制御装置及びこれを備えた油圧ショベル１０について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例を含む。

　［変形例１］
　図１０は、実施形態の変形例１に係る駆動制御装置のブロック線図である。この変形例１に係る駆動制御装置は、前記整地作業において回動部材２０が地面Ｇに加える力の強さである転圧力を調節するための入力を受ける転圧力入力器９２（押付け力入力器９２）をさらに備える（図３参照）。コントローラ５０は、転圧力入力器９２に対する前記入力に基づいて前記寄与度を増加又は減少させる。具体的には次の通りである。

　転圧力入力器９２は、例えば、上述した設定入力器９１Ａと同様の入力装置であってもよい。コントローラ５０は、転圧力設定器５０６（押付け力設定器５０６）をさらに備える。転圧力設定器５０６は、転圧力入力器９２が受けたオペレータによる入力に基づいて、前記寄与度を増加又は減少させる。具体的には次の通りである。

　図１１は、変形例１に係る駆動制御装置において予め設定されたマップの一例を示すグラフである。図１１に示す具体例では、コントローラ５０は、複数の転圧力（図１１では、高、中、低の３段階の転圧力）に応じた複数のマップを記憶している。

　この変形例１では、「転圧力：中」のマップに比べると「転圧力：高」のマップでは、作業装置１３全体の動作のうち回動部材２０の動作が占める寄与度を増加させている。また、「転圧力：中」のマップに比べると「転圧力：低」のマップでは、作業装置１３全体の動作のうち回動部材２０の動作が占める寄与度を減少させている。

　具体的に、作業装置１３全体の動作に対して回動部材２０の動作が占める寄与度を増加させると、油圧ショベル１０の前記機体に対して前後方向に移動する回動部材２０の速度成分が大きくなり、油圧ショベル１０の前記機体に対して上下方向に移動する回動部材２０の速度成分が小さくなる。これにより、目標整地角度θに応じて決まる面よりも緩やかな傾斜（目標整地角度θよりも小さい角度）に沿うようなバランスで作業装置１３が作動するため、ブーム上げ動作及びアーム引き動作が行われる際の転圧力を高めることができる。

　また、作業装置１３全体の動作に対して回動部材２０の動作が占める寄与度を減少させると、油圧ショベル１０の前記機体に対して前後方向に移動する回動部材２０の速度成分が小さくなり、油圧ショベル１０の前記機体に対して上下方向に移動する回動部材２０の速度成分が大きくなる。これにより、目標整地角度θに応じて決まる面よりも急な傾斜（目標整地角度θよりも大きい角度）に沿うようなバランスで作業装置１３が作動するため、ブーム上げ動作及びアーム引き動作が行われる際の転圧力を低くすることができる。

　コントローラ５０は、例えばオペレータが転圧力入力器９２に対して転圧力「高」、「中」、「低」のいずれかに対応する入力を行うと、複数のマップから当該入力に対応するマップ（例えば転圧力「高」のマップ）を選択する。そして、コントローラ５０の寄与度生成器５０２は、図１１の複数のマップのうち選択されたマップと、設定された目標整地角度θと、に基づいて、寄与度ｒを演算する。これにより、前記寄与度を変更し、転圧力を調節することができる。

　［変形例２］
　図１２は、前記実施形態の変形例２に係る駆動制御装置のブロック線図である。図１３は、変形例２に係る駆動制御装置において予め設定されたマップの一例を示すグラフである。図１４は、変形例２において、作業装置１３のバケット１６（先端部材）の軌跡の一例を示す側面図である。

　この変形例２では、コントローラ５０は、作業装置１３全体の合成重心ｇの実際の速度を前記目標速度に近づけるようにブーム１４を動かすためのブーム補正値を演算し、ブーム操作の操作量に応じたブーム操作値と前記ブーム補正値とを用いてブーム１４の動作を制御する。この際に、コントローラ５０は、整地作業に関するオペレータの操作技能が高い場合に比べて操作技能が低い場合に前記ブーム操作値に対する前記ブーム補正値の比率が高くなるように、前記ブーム操作値と前記ブーム補正値とを用いてブーム１４の動作を制御するための制御入力値を演算する。この変形例２では、オペレータの操作技能が高い場合には、コントローラ５０によるアシストを控えめにして熟練者の好みに応じた整地作業が行われることが可能になる。一方、オペレータの操作技能が低い場合には、コントローラ５０によるアシストの度合いを高めることで非熟練者であっても整地作業の作業効率を高めることができる。具体的には以下の通りである。

　変形例２では、コントローラ５０は、アシスト率調整器５０７をさらに備える。コントローラ５０は、例えば図１４に示すように、整地作業を行うオペレータの操作技能に関するデータである技能データを予め記憶している。技能データは、例えば、図１４に示すように、オペレータが整地作業を実際に行ったときに、バケット１６における予め設定された特定部位（例えばバケット１６の先端）の軌跡ｘｉ（ｔ）の基準としての目標面ｘｂａｒ（ｔ）に対する散らばり具合であってもよい。ここで、「ｘｂａｒ（ｔ）」は、図１４において破線で示される目標面を表すものであり、図１４において「ｘ（ｔ）」の文字のうち「ｘ」の上に横線が付された符号に対応するものである。このような散らばり具合は、分散値Ｖであってもよく、標準偏差であってもよく、他の指標であってもよい。目標面ｘｂａｒ（ｔ）は、目標整地角度θに応じて決まる面である。技能データが分散値Ｖであり、整地作業中のデータ数をｎとすると、コントローラ５０は、例えば下記の式（１２）に基づいて分散値Ｖを演算することができる。

　コントローラ５０は、作業装置１３のブーム１４、アーム１５及びバケット１６の既知の寸法と、姿勢検出器３１からコントローラ５０に入力される姿勢情報と、に基づいて、軌跡ｘｉ（ｔ）のデータを取得することができる。

　コントローラ５０のアシスト率調整器５０７は、オペレータの操作技能に関するデータ、例えば上記のような特定部位の軌跡ｘｉ（ｔ）の分散値Ｖ（軌跡分散値）と、図１３に示すマップと、に基づいて、アシスト率Ｋを設定する。この変形例２では、アシスト率Ｋは、例えば、０以上１以下の値に設定される。

　そして、コントローラ５０は、前記ブーム操作値ｕｈ（ｔ）に「１－Ｋ」をかけて得られる値と、前記ブーム補正値ｕｃ（ｔ）に「Ｋ」をかけて得られる値と、を足し算することにより、最終的な制御入力値ｕ（ｔ）を演算する。コントローラ５０は、演算した制御入力値ｕ（ｔ）を、ブーム上げ操作に対応する電磁比例弁５に入力する。これにより、コントローラ５０は、オペレータの操作技能に応じてオペレータの操作をアシストすることができる。

　なお、オペレータの操作技能は、上記の具体例のように整地作業の前にコントローラ５０に予め記憶されたものでなくてもよい。すなわち、コントローラ５０は、整地作業が行われるときに本開示に係るコントローラ５０によるアシストの制御を行いながら、オペレータの操作技能に関するデータを取得するように構成されていてもよい。また、オペレータの操作技能は、上記のような分散値Ｖ、標準偏差などの散らばり具合のデータに限られず、操作技能を判定することが可能な他のデータであってもよい。

　なお、コントローラ５０は、整地作業の対象となる地盤の土質に基づいてアシスト率Ｋを決定してもよく、整地作業の作業速度に基づいてアシスト率Ｋを決定してもよい。具体的には、コントローラ５０は、地盤の土質が整地しやすい場合に比べて土質が整地しにくい場合に前記ブーム操作値に対する前記ブーム補正値の比率が高くなるように、前記ブーム操作値と前記ブーム補正値とを用いて前記ブームの動作を制御するための制御入力値を演算してもよい。また、コントローラ５０は、作業速度が高い場合（熟練者の場合）に比べて作業速度が低い場合（非熟練者の場合）に前記ブーム操作値に対する前記ブーム補正値の比率が高くなるように、前記ブーム操作値と前記ブーム補正値とを用いて前記ブームの動作を制御するための制御入力値を演算してもよい。

　図１５は、前記実施形態の変形例３に係る駆動制御装置のブロック線図である。図１５に示すように、変形例３では、コントローラ５０は、最終的な制御入力値ｕ（ｔ）を、オペレータによるブーム操作のブーム操作値を考慮することなく演算する。すなわち、この変形例３では、ブーム１４の動作は、コントローラ５０により自動的に制御される。したがって、オペレータは、アーム引き操作およびバケット操作のみを行うことで整地作業を行うことができる。

　次に、前記実施形態の変形例４について説明する。この変形例４では、コントローラ５０は、最終的な制御入力値ｕ（ｔ）を、オペレータによるバケット操作の操作値（バケット操作値）を考慮することなく演算する。バケット操作値は、操作器４のバケット操作器に与えられる操作に応じた値である。この変形例４では、バケット１６の動作は、コントローラ５０により自動的に制御される。コントローラ５０は、上記の目標整地角度θに追従するようにバケット１６のバケット底部１６Ｈの角度をフィードバック制御することで、バケット底部１６Ｈの角度を目標整地角度θに維持する制御を行う。具体的には、例えば姿勢検出器３１により検出されるブーム１４、アーム１５及びバケット１６の回動角度を用いてバケット底部１６Ｈの角度を監視することで、バケット底部１６Ｈの角度の目標整地角度θからのずれ量を演算し、バケット１６を回動させることでこのずれ量が解消するように指令信号を電磁比例弁５に入力する。したがって、オペレータは、バケット操作をすることなく整地作業を行うことができる。

　次に、前記実施形態の変形例５について説明する。上述した実施形態では、アーム引き操作とブーム上げ操作とが同時に行われた場合に、コントローラ５０は、整地作業に係る操作が開始されたか否かを判定していた（図６のステップＳ３）が、これに限られず、変形例５では、コントローラ５０は、アーム押し操作とブーム下げ操作とが同時に行われた場合においても整地作業に係る操作が開始されたと判定してよい。この場合、作業装置１３のバケット１６が目標整地角度θに沿うようなバランスでブーム下げ動作及びアーム押し動作を行うことになり、オペレータは整地作業を容易に行うことができる。なお、この変形例５において、コントローラ５０は、整地作業に係る操作が開始されたことを、ブーム下げ操作とアーム押し操作のいずれかの操作が行われたことで判定してもよい。

　次に、前記実施形態の変形例６について説明する。この変形例６では、コントローラ５０は、ＩＭＵ３３により検出される油圧ショベル１０の機体の姿勢、角度（傾き）に応じて、目標整地角度θを補正する制御を行う。具体的に、例えば、オペレータは整地作業中に油圧ショベル１０の位置を移動させる（例えば、前後させる）場合がある。作業現場の傾斜は一様とは限らないので、油圧ショベル１０の位置を移動させた結果、油圧ショベル１０の基準面に対する角度が変化し、設定していた目標整地角度θが変化してしまう場合がある。そこで、変形例６では目標整地角度θを設定した時点での油圧ショベル１０の基準面に対する角度を記憶しておくことで、油圧ショベル１０の基準面に対する角度が変化した場合でも、その変化を考慮して目標整地角度θを補正する。

　以上説明したように、本開示によれば、整地作業において施工面が目標整地角度に整地されるように作業装置を動作させることが可能な駆動制御装置及びこれを備えた建設機械が提供される。

　作業装置全体の動作は、ブームの動作に係る成分と、回動部材の動作に係る成分と、に分解することができ、施工面を目標整地角度に整地するためには、目標整地角度に応じたバランス（比率）でブームと回動部材を動作させればよい。そこで、この駆動制御装置では、コントローラは、まず、回動部材の重心の速度である回動部材重心速度を演算する。この回動部材重心速度（すなわち回動部材の動作に係る成分）に対応する作業装置全体の速度の目標は目標整地角度に応じて決まる。従って、コントローラは、回動部材重心速度と目標整地角度とを用いて作業装置全体の合成重心の速度の目標である目標速度を演算することができる。作業装置全体の合成重心の目標速度と、回動部材の動作に係る成分（すなわち回動部材重心速度）とが決まると、これらを用いてブームの動作に係る成分を演算することができる。すなわち、コントローラは、作業装置全体の合成重心の実際の速度を目標速度に近づけるようにブームの動作を制御することができる。よって、この駆動制御装置では、整地作業において施工面が目標整地角度に整地されるように作業装置を動作させることができる。

　具体的には、整地作業において施工面を目標整地角度に整地するための回動部材の動作とブームの動作との比率、言い換えると、作業装置全体の動作に対して回動部材の動作が占めるべき寄与度は、目標整地角度が大きいときに比べて目標整地角度が小さいときに大きな値になる。従って、前記コントローラは、前記整地作業において前記作業装置全体の動作に対して前記回動部材の動作が占めるべき寄与度を、前記目標整地角度が大きいときに比べて前記目標整地角度が小さいときに大きな値になるように決定し、前記回動部材重心速度と前記寄与度とを用いて前記目標速度を演算することが好ましい。これにより、整地作業において施工面が目標整地角度に整地されるように作業装置を適切に動作させることができる。

　前記駆動制御装置は、前記整地作業において前記回動部材が地面に加える力の強さである転圧力を調節するための入力を受ける転圧力入力器をさらに備え、前記コントローラは、前記転圧力入力器に対する前記入力に基づいて前記寄与度を増加又は減少させることが好ましい。この構成では、回動部材の動作が占める寄与度が増加すると転圧力が大きくなり、回動部材の動作が占める寄与度が減少すると転圧力が小さくなる。従って、コントローラは、転圧力入力器に対する入力に基づいて前記寄与度を増加又は減少させることで、転圧力を調節することができる。

　前記回動部材は、前記ブームに回動可能に支持されたアームと、前記アームに回動可能に支持された先端部材と、を含み、前記コントローラは、前記アームと前記先端部材の合成重心を前記回動部材の重心として演算してもよい。この構成では、コントローラは、アームの動作と先端部材（例えばバケット）の動作をこれらの合成重心の動作として演算するので、コントローラによる演算処理が複雑になるのを抑制できる。

　前記駆動制御装置は、前記目標整地角度の設定のための入力を受ける設定入力器をさらに備え、前記コントローラは、前記設定入力器に前記入力が行われたときの前記先端部材の角度に基づいて前記目標整地角度を設定することが好ましい。この構成では、整地作業において、オペレータは、先端部材を施工面に所望の角度で配置して設定入力器に入力するだけでコントローラに目標整地角度を設定させることができるので、オペレータが目標整地角度の数値を入力する作業を省略することができる。

　前記駆動制御装置は、前記ブームを動かすためのブーム操作が与えられるブーム操作器をさらに備え、前記コントローラは、前記合成重心の実際の速度を前記目標速度に近づけるように前記ブームを動かすためのブーム補正値を演算し、前記ブーム操作の操作量に応じたブーム操作値と前記ブーム補正値とを用いて前記ブームの動作を制御することが好ましい。この構成では、オペレータがブーム操作器に与えるブーム操作を、ブーム補正値によりアシストすることができる。

　この場合、前記コントローラは、前記整地作業に関するオペレータの操作技能が高い場合に比べて前記操作技能が低い場合に前記ブーム操作値に対する前記ブーム補正値の比率が高くなるように、前記ブーム操作値と前記ブーム補正値とを用いて前記ブームの動作を制御するための制御入力値を演算することがより好ましい。この構成では、オペレータの操作技能が高い場合には、コントローラによるアシストを控えめにして熟練者の好みに応じた整地作業が行われることが可能になる。一方、オペレータの操作技能が低い場合には、コントローラによるアシストの度合いを高めることで非熟練者であっても整地作業の作業効率を高めることができる。

　本開示により提供される建設機械は、上述した駆動制御装置と、前記機体と、前記作業装置と、を備えている。この建設機械では、整地作業において施工面が目標整地角度に整地されるように作業装置を動作させることができる。

Claims

　機体と、前記機体に起伏可能に支持されたブーム及び前記ブームに回動可能に支持された回動部材を含む作業装置と、を備える建設機械の駆動制御装置であって、
　前記作業装置の動作を制御するコントローラを備え、
　前記コントローラは、
　前記作業装置が行う整地作業における整地角度の目標である目標整地角度を設定し、
　前記回動部材の重心の速度である回動部材重心速度を演算し、
　前記回動部材重心速度と前記目標整地角度とを用いて前記作業装置全体の合成重心の速度の目標である目標速度を演算し、
　前記合成重心の実際の速度を前記目標速度に近づけるように前記ブームの動作を制御する、駆動制御装置。
　前記コントローラは、前記整地作業において前記作業装置全体の動作に対して前記回動部材の動作が占めるべき寄与度を、前記目標整地角度が大きいときに比べて前記目標整地角度が小さいときに大きな値になるように決定し、前記回動部材重心速度と前記寄与度とを用いて前記目標速度を演算する、請求項１に記載の駆動制御装置。
　前記整地作業において前記回動部材が地面に加える力の強さである転圧力を調節するための入力を受ける転圧力入力器をさらに備え、
　前記コントローラは、前記転圧力入力器に対する前記入力に基づいて前記寄与度を増加又は減少させる、請求項２に記載の駆動制御装置。
　前記回動部材は、前記ブームに回動可能に支持されたアームと、前記アームに回動可能に支持された先端部材と、を含み、
　前記コントローラは、前記アームと前記先端部材の合成重心を前記回動部材の重心として演算する、請求項１～３の何れか１項に記載の駆動制御装置。
　前記目標整地角度の設定のための入力を受ける設定入力器をさらに備え、
　前記コントローラは、前記設定入力器に前記入力が行われたときの前記先端部材の角度に基づいて前記目標整地角度を設定する、請求項４に記載の駆動制御装置。
　前記ブームを動かすためのブーム操作が与えられるブーム操作器をさらに備え、
　前記コントローラは、前記合成重心の実際の速度を前記目標速度に近づけるように前記ブームを動かすためのブーム補正値を演算し、前記ブーム操作の操作量に応じたブーム操作値と前記ブーム補正値とを用いて前記ブームの動作を制御する、請求項１～５の何れか１項に記載の駆動制御装置。
　前記コントローラは、前記整地作業に関するオペレータの操作技能が高い場合に比べて前記操作技能が低い場合に前記ブーム操作値に対する前記ブーム補正値の比率が高くなるように、前記ブーム操作値と前記ブーム補正値とを用いて前記ブームの動作を制御するための制御入力値を演算する、請求項６に記載の駆動制御装置。
　請求項１～７の何れか１項に記載の駆動制御装置と、前記機体と、前記作業装置と、を備えた建設機械。